Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thống đóng nắp chai tự động" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Văn Phú (MSV: 171502282) và Vũ Đức Mạnh (MSV: 171512277), thuộc lớp Trang bị điện trong Công nghiệp và Giao thông vận tải K58, Bộ môn Kỹ thuật Điện, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội (năm 2021), dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Tuấn Phường.

Trong sản xuất công nghiệp hiện đại, đặc biệt là ngành thực phẩm và đồ uống (bia, rượu, nước giải khát, nước tinh khiết) cũng như hóa mỹ phẩm, bao bì dạng chai lọ được sử dụng phổ biến nhờ ưu điểm giá thành thấp, độ cứng vững cao, tính thẩm mỹ và dễ gia công đóng gói. Việc ứng dụng điều khiển tự động hóa vào quy trình chiết rót và đóng nắp chai là yêu cầu thiết yếu nhằm thay thế lao động thủ công, hạn chế thao tác sai sót của con người, giảm chi phí nhân công và nâng cao tính ổn định cho dây chuyền sản xuất. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó kết hợp với định hướng ứng dụng thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC) trong công nghiệp, nhóm tác giả đã lựa chọn đề tài nghiên cứu này.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được tác giả xác định theo 5 nội dung:

  1. Nhìn nhận tính cấp thiết và vai trò quan trọng của việc điều khiển và giám sát hệ thống chiết rót.
  2. Tiến hành tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu, các mô hình hiện tại liên quan tới đề tài để so sánh, cải tiến.
  3. Nắm được khả năng lập trình điều khiển trên thiết bị PLC.
  4. Thiết kế được hệ thống SCADA giám sát trên nền tảng PLC S7-1200.
  5. Ứng dụng PLC vào điều khiển các hệ thống tự động hóa trong thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển tự động cho dây chuyền chiết rót, cấp nắp, đóng siết nắp chai và phân loại sản phẩm.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    1. Nghiên cứu, thiết kế hệ thống chiết rót chai tự động quy mô nhỏ.
    2. Nghiên cứu và ứng dụng lập trình PLC S7-1200 để điều khiển tự động hệ thống.
    3. Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm thiết kế cơ khí, mạch điện và hệ thống khí nén nhằm xây dựng mô hình có khả năng ứng dụng thực tế.
  • Giới hạn hệ thống: Dây chuyền chiết rót quy mô nhỏ, thực hiện chiết rót mỗi lần 1 chai; năng suất định mức 10 chai/phút; sử dụng nguồn điện 3 pha 380V, 50Hz; áp suất khí nén cấp cho các xilanh chấp hành đạt tiêu chuẩn 3000 hoặc 3600 psi; đường ống dẫn nước sử dụng ống nhựa PVC chịu áp lực cao hoặc thép không gỉ 304; tủ điều khiển bằng inox tích hợp thiết bị chống giật và nút dừng khẩn cấp; hệ thống hỗ trợ 2 chế độ vận hành độc lập là tự động (Auto) và bằng tay (Manual).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án tập trung vào các công nghệ chiết rót công nghiệp, lý thuyết điều khiển tự động với PLC và hệ thống truyền động điện - khí nén:

  • Khảo sát các công nghệ chiết rót: Tác giả hệ thống hóa 5 phương pháp chiết rót phổ biến trên thị trường gồm:
    1. Máy chiết rót bằng bơm bánh răng (bơm rotary 8 đầu): điều khiển bởi động cơ AC kết hợp biến tần, dung tích chiết rót 250 - 5000ml, trang bị vòi ngâm hạn chế tạo bọt, thích hợp cho thực phẩm và hóa mỹ phẩm.
    2. Máy chiết rót bằng bơm piston (6 đầu): dẫn động bởi động cơ servo, độ chính xác định lượng cao, có cơ chế an toàn "không chai - không chiết rót".
    3. Máy chiết rót bằng bơm trục vít (8 đầu): mỗi đầu bơm dẫn động bởi một động cơ AC độc lập, chuyên dùng cho các chất lỏng có độ nhớt cao như dầu nhớt.
    4. Máy chiết rót bằng lưu lượng kế (10 đầu định lượng): dải chiết rót rộng, dễ vệ sinh, phù hợp với dung dịch đậm đặc.
    5. Máy chiết rót kiểu đối lưu (đẳng áp): dung tích chiết rót 500 - 1500ml, vòi ngâm chống tràn, chuyên dùng cho nước khoáng và nước ép trái cây.
  • Lý thuyết điều khiển khả trình PLC: Cấu trúc cơ bản của PLC gồm khối xử lý trung tâm (CPU), khối ngõ vào (Module Input: tín hiệu số DI và tương tự AI), khối ngõ ra (Module Output: tín hiệu số DO và tương tự AO). Đồ án phân tích ưu thế của PLC so với hệ điều khiển rơ le tiếp điểm truyền thống: linh hoạt thay đổi thuật toán qua phần mềm, tích hợp nhiều bộ định thời (Timer), bộ đếm (Counter), khối hàm chuyên dụng (PID, phát xung tốc độ cao PTO/PWM) và khả năng kết nối mạng truyền thông công nghiệp.
  • Lý thuyết truyền động và khí nén: Ứng dụng công thức tính tốc độ động cơ đồng bộ $n = 60f/p$ (với $f$ là tần số lưới điện, $p$ là số cặp cực) để điều khiển tốc độ qua biến tần; nguyên lý hoạt động của van đảo chiều khí nén (loại 3/2, 5/2) và cơ cấu xilanh tác động kép.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật điện, tự động hóa và khí nén.
  • Phương pháp tính toán phụ tải điện, lựa chọn thiết bị đóng cắt, bảo vệ và cơ cấu chấp hành.
  • Phương pháp lập trình và mô phỏng: Tìm hiểu tập lệnh và phần cứng PLC Siemens S7-1200; viết chương trình điều khiển bằng phần mềm TIA Portal (Step 7 Basic) hỗ trợ các ngôn ngữ FBD, LAD, SCL; thiết kế giao diện giám sát và điều khiển SCADA trên phần mềm WinCC qua cổng truyền thông Profinet (Ethernet công nghiệp).
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thông số kỹ thuật chuẩn từ nhà sản xuất thiết bị (Siemens, Omron, LS, Airtac, Autonics, Lifetech) và các phép tính toán chọn lọc theo tiêu chuẩn kỹ thuật điện công nghiệp.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế tích hợp liên ngành giữa cơ khí, khí nén, mạch động lực và điều khiển tự động, phân chia thành 4 khối chức năng chính: khối chiết rót, khối cấp nắp, khối đóng nắp và khối phân loại sản phẩm lỗi.

Kiến trúc điều khiển và thiết bị phần cứng

Dựa trên yêu cầu công nghệ, hệ thống cần xử lý 16 tín hiệu đầu vào (chuyển chế độ Auto/Manual, Start, Stop, các nút bật/tắt thủ công, cảm biến chai vào, cảm biến mức nước bể, cảm biến vị trí, cảm biến nắp chai, cảm biến mức nước trong chai, cảm biến hành trình nâng hạ) và 12 tín hiệu đầu ra (đèn báo trạng thái, động cơ băng tải vào, động cơ băng tải ra, động cơ mâm xoay, bơm nước, van xilanh đẩy, van xilanh nâng hạ). Tác giả lựa chọn cấu hình điều khiển trung tâm gồm:

  • Bộ điều khiển CPU: Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC (mã hiệu 6ES7212-1AE40-0XB0).
  • Module mở rộng: Module tín hiệu số SM 1223 (16DI / 16DO) kết hợp module nguồn phụ trợ PS 1207 (115/230VAC sang 24VDC).
  • Cổng truyền thông: Tích hợp sẵn chuẩn Profinet RJ45 (10/100 Mbits/s), hỗ trợ TCP/IP, ISO on TCP và giao thức S7 protocol.
Hạng mục Tên thiết bị / Mã hiệu Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển Siemens S7-1200 CPU 1212C Nguồn 24VDC, tích hợp DI/DO, cổng Profinet Xử lý logic và điều khiển trung tâm
Module mở rộng SIMATIC SM 1223 16 đầu vào số (DI) / 16 đầu ra số (DO) Mở rộng cổng vào/ra cho hệ thống
Biến tần Omron 3G3JX Điện áp vào/ra 3 pha 380VAC, $\cos\varphi \ge 0.96$ Điều khiển tốc độ động cơ băng tải
Động cơ băng tải Dasu 3 pha 380V, 1.1 kW, 2.89A, 1390 vòng/phút, $\eta=75%$ Kéo băng tải xích inox vận chuyển chai
Động cơ mâm xoay Dasu 3 pha 380V, 2.2 kW, 4.5A, 1500 vòng/phút, $\eta=75%$ Dẫn động mâm chia độ xoay 4 góc $90^\circ$
Động cơ siết nắp Động cơ DC LS 220 Điện áp 6-24VDC, 15W, 60 vòng/phút, trục 5mm Dẫn động đầu xoáy đóng chặt nắp chai
Bơm chiết rót Máy bơm ly tâm Lifetech AP 5400 Động cơ 1 pha 220/240V, 50Hz, 100W, 3500 l/h Bơm định lượng nước vào chai
Xilanh khí nén TN 10x40 (TDA 10-40 MCP) Tác động kép, thanh đôi, nòng 10mm, hành trình 40mm Hạ cơ cấu vặn nắp và đẩy phân loại chai
Van điện từ khí nén Airtac 4V210-08 Van 5/2, kích điện, ren 1/4 inch, áp suất 0.15-0.8 MPa Đảo chiều điều khiển xilanh khí nén

Hệ thống cảm biến giám sát

Hệ thống tích hợp 4 loại cảm biến chuyên dụng để nhận diện vật thể và kiểm soát chất lượng sản phẩm:

Tên cảm biến Mã hiệu Nguyên lý & Nguồn cấp Khoảng cách / Dải đo Ứng dụng cụ thể trong đồ án
Cảm biến quang vật cản E18-D80NK Quang phản xạ khuếch tán, 5VDC, NPN cực thu hở 3 - 80 cm (điều chỉnh biến trở) Nhận diện chai vào băng tải và chai đến vị trí
Cảm biến tiệm cận từ Autonics PRW Cảm ứng từ phát hiện kim loại, 12-24VDC 1.5 - 15 mm Nhận tín hiệu 4 trụ thép định vị góc $90^\circ$ mâm xoay
Cảm biến phát hiện nước PHN-Y26 Đo không tiếp xúc qua thành bình, 12-24VDC Độ dày thành $0.5 - 20\text{ mm}$ Kiểm tra mức nước trong chai tại khâu phân loại
Cảm biến đo mức/dòng SBU623 Cảm ứng biến đổi điện, vỏ nhôm, ren G 1/2 Áp suất định mức 200 bar, $0 - 60^\circ\text{C}$ Giám sát mức và lưu lượng chất lỏng trong bồn

Tính toán phụ tải và thiết bị bảo vệ

Để bảo vệ động cơ truyền động băng tải có công suất $P = 2\text{ kW}$ (quy đổi tính toán tải khởi động), hệ số công suất $\cos\varphi = 0.85$, dòng điện tính toán định mức của động cơ là: $$I_{\text{đc}} = \frac{P}{\sqrt{3} \cdot U \cdot \cos\varphi} \approx 3.3\text{ A}$$

Theo tiêu chuẩn thiết kế, dòng định mức bảo vệ của Aptomat được chọn theo dải $I_{\text{ap}} = (1.2 \div 1.5) I_{\text{tt}}$. Chọn hệ số an toàn $k = 1.4$: $$I_{\text{ct}} = 1.4 \times 3.3 = 4.62\text{ A}$$

Từ kết quả tính toán, nhóm tác giả lựa chọn Aptomat LS BKN 3P dòng định mức 6A, khả năng cắt dòng ngắn mạch 6kA. Mạch điều khiển sử dụng rơ le trung gian IDEC RJ2S-CL-D24 (cuộn hút 24VDC, 8 chân), contactor LS 3P 6A (mã MC 6A) và rơ le nhiệt phối hợp bảo vệ quá tải.

Quy trình công nghệ và giao diện giám sát SCADA

Quy trình tự động diễn ra theo trình tự tuần hoàn:

  1. Chai được cấp vào băng tải xích 1; cảm biến quang E18-D80NK phát hiện có chai thì dừng băng tải 1.
  2. Bơm Lifetech AP 5400 kích hoạt bơm nước vào chai theo thời gian định lượng định trước; khi đủ mức nước, bơm ngắt.
  3. Động cơ mâm xoay Dasu 2.2 kW hoạt động, đưa chai sang vị trí cấp nắp; cảm biến từ Autonics PRW nhận tín hiệu trụ thép tại góc $90^\circ$ để dừng mâm xoay chính xác.
  4. Cơ cấu cấp nắp thả nắp lên miệng chai; mâm xoay tiếp tục chuyển chai sang vị trí đóng nắp.
  5. Cảm biến nhận diện có chai tại vị trí đóng nắp; van Airtac 4V210-08 mở khí nén điều khiển xilanh TN 10x40 hạ cụm vặn nắp xuống; động cơ DC LS 220 kích hoạt xoay siết chặt nắp; sau thời gian trễ, xilanh kéo cụm vặn nắp về vị trí ban đầu.
  6. Mâm xoay đưa chai thành phẩm ra băng tải 2; tại vị trí phân loại, cảm biến quang kiểm tra sự hiện diện của nắp và cảm biến PHN-Y26 kiểm tra mức nước đạt chuẩn; nếu chai không có nắp hoặc thiếu nước, xilanh khí nén tác động đẩy chai lỗi sang khay phế phẩm, chai đạt chuẩn tiếp tục di chuyển ra ngoài.

Giao diện SCADA thiết kế trên WinCC kết nối thời gian thực với CPU S7-1200 hiển thị trạng thái hoạt động của các động cơ, cảm biến, hiển thị cảnh báo sự cố và cho phép người vận hành chuyển đổi chế độ Auto/Manual, khởi động (Start), dừng (Stop) toàn bộ hệ thống.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về dây chuyền công nghệ

Chương 1 giới thiệu tính cấp thiết của tự động hóa trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, tập trung vào vai trò của hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động. Tác giả trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu (5 mục tiêu), nội dung triển khai (6 nội dung từ nghiên cứu lý thuyết, thiết kế phần cứng, lập trình điều khiển đến chạy thử nghiệm), cùng các giới hạn kỹ thuật của hệ thống (năng suất 10 chai/phút, chiết rót 1 chai/lần, điện áp 380V 3 pha, khí nén 3000-3600 psi, an toàn chống giật và dừng khẩn cấp).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 khảo sát chi tiết 5 hệ thống chiết rót thương mại (bơm bánh răng, bơm piston, bơm trục vít, lưu lượng kế và kiểu đối lưu). Phân tích cấu trúc phần cứng của PLC gồm CPU, khối nguồn, module mở rộng DI/DO và AI/AO, cùng các ưu điểm nổi bật khi thay thế rơ le truyền thống. Đi sâu giới thiệu dòng PLC Siemens S7-1200, các tính năng bảo mật (password, know-how protection), cổng truyền thông Profinet, các bộ đếm tốc độ cao HSC (3 bộ 100kHz, 3 bộ 30kHz), ngõ ra phát xung PTO 100kHz và PWM. Trên cơ sở tính toán 16 đầu vào và 12 đầu ra, chương này đưa ra quyết định lựa chọn PLC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC kết hợp module tín hiệu SM 1223 16DI/16DO.

Chương 3: Tính toán hệ thống và lựa chọn thiết bị

Chương 3 trình bày các tính toán kỹ thuật và lựa chọn thiết bị cho toàn bộ hệ thống:

  • Phân tích và lựa chọn kết cấu băng tải xích bằng inox thay vì băng tải PVC hay băng tải con lăn do yêu cầu chịu mài mòn, độ bền cao và an toàn thực phẩm.
  • Tính chọn biến tần Omron 3G3JX điều khiển động cơ băng tải không đồng bộ 3 pha 1.1 kW.
  • Lựa chọn động cơ mâm xoay 3 pha Dasu 2.2 kW (1500 vòng/phút), động cơ vặn nắp DC LS 220 24VDC (15W, 60 vòng/phút), và máy bơm ly tâm Lifetech AP 5400 (100W, 3500 l/h).
  • Lựa chọn hệ thống cảm biến: cảm biến dòng chảy SBU623, cảm biến quang E18-D80NK, cảm biến nước không tiếp xúc PHN-Y26, cảm biến từ Autonics PRW.
  • Tính toán thiết bị khí nén gồm van điện từ Airtac 4V210-08 và xilanh kép TN 10x40.
  • Tính chọn thiết bị đóng cắt: tính dòng phụ tải $I_{\text{đc}} \approx 3.3\text{ A}$, chọn Aptomat LS BKN 3P 6A (dòng cắt 6kA), rơ le trung gian IDEC RJ2S-CL-D24 và contactor LS 3P 6A. Trình bày sơ đồ bố trí tủ điện điều khiển trung tâm bằng inox.

Chương 4: Lập trình và mô tả hệ thống

Chương 4 mô tả cấu trúc phân chia 4 khối chức năng (khối chiết rót, khối cấp nắp, khối đóng nắp, khối phân loại), kết hợp khối xử lý trung tâm PLC và khối nguồn 24VDC. Thiết lập sơ đồ mạch nguyên lý điều khiển trung tâm, bảng phân phối địa chỉ vào/ra (I/O) giữa PLC và thiết bị ngoại vi. Trình bày thuật toán điều khiển tuần tự, quy trình phối hợp giữa tín hiệu cảm biến và các cơ cấu xilanh khí nén, động cơ. Thiết kế giao diện SCADA trên WinCC giám sát toàn diện dây chuyền qua cổng truyền thông Profinet, tích hợp chế độ Auto và Manual.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết các kết quả đạt được về mặt thiết kế cơ khí, tính toán công suất thiết bị, xây dựng mạch điều khiển và lập trình giám sát SCADA. Đánh giá tính ổn định của hệ thống trong quá trình mô phỏng điều khiển, các biện pháp an toàn điện và an toàn vận hành. Đưa ra các nhận xét về những mặt còn hạn chế và đề xuất các hướng phát triển kỹ thuật nhằm nâng cao năng suất và độ chính xác trong thực tế.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính của đồ án:

  • Thiết kế hoàn chỉnh sơ đồ hệ thống điều khiển tự động cho dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai đạt năng suất thiết kế 10 chai/phút.
  • Hoàn thành tính toán và lựa chọn chính xác toàn bộ thiết bị động lực và điều khiển: PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C kết hợp module SM 1223 (đáp ứng 16 đầu vào, 12 đầu ra); biến tần Omron 3G3JX; động cơ băng tải Dasu 1.1 kW; động cơ mâm xoay Dasu 2.2 kW; động cơ siết nắp DC LS 220 24VDC 15W; máy bơm Lifetech AP 5400 100W; van đảo chiều Airtac 4V210-08; xilanh kép TN 10x40; Aptomat LS BKN 3P 6A.
  • Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch điều khiển, mạch khí nén và bản vẽ tủ điện điều khiển trung tâm bằng inox.
  • Lập trình thành công thuật toán điều khiển trên phần mềm TIA Portal (Step 7 Basic) và thiết kế giao diện SCADA trên WinCC giám sát trực quan 2 chế độ Auto/Manual, hỗ trợ chức năng dừng khẩn cấp và bảo vệ chống giật.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả:

  • Kiến nghị sử dụng băng tải xích bằng inox và đường ống dẫn nước bằng thép không gỉ 304 hoặc nhựa PVC chịu áp cao để tránh đóng cặn, gỉ sét và vi sinh vật, bảo đảm an toàn vệ sinh thực phẩm.
  • Tích hợp rơ le bảo vệ chống rò điện (dòng rò định mức 30mA) kết hợp Aptomat chống giật trên toàn hệ thống để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người vận hành trong môi trường ẩm ướt của dây chuyền chiết rót chất lỏng.

Đóng góp kỹ thuật tự nêu:

  • Đưa ra giải pháp cấu hình phần cứng tối ưu chi phí bằng cách kết hợp CPU 1212C với module mở rộng SM 1223 thay vì sử dụng các dòng CPU cấp cao hơn có chi phí lớn, phù hợp với quy mô sản xuất nhỏ và vừa.
  • Tích hợp đồng bộ giải thuật định vị mâm xoay 4 góc $90^\circ$ qua cảm biến từ và cơ cấu phân loại sản phẩm lỗi tự động (thiếu nắp, thiếu nước) bằng xilanh khí nén kết hợp cảm biến không tiếp xúc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án (được tác giả chỉ rõ trong mục 1.6 Giới hạn):

  • Quy mô hệ thống dừng lại ở mức mô hình nhỏ, chỉ thực hiện chiết rót đơn lẻ mỗi lần 1 chai, chưa đáp ứng quy mô sản xuất lớn.
  • Chưa tối ưu hóa tuyệt đối độ chính xác của từng thiết bị chấp hành, đặc biệt là sai số định lượng nước của máy bơm và lực siết nắp của động cơ DC khi vận hành liên tục.
  • Hệ thống mới được thử nghiệm, kiểm chứng trên mô hình mô phỏng và phần mềm giám sát WinCC, chưa trải qua quá trình vận hành tải thực tế kéo dài tại môi trường nhà máy công nghiệp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo (theo định hướng tại Chương 5):

  • Mở rộng quy mô dây chuyền sang cơ cấu chiết rót đa vòi (chiết đồng thời nhiều chai) nhằm nâng cao năng suất vượt mức 10 chai/phút.
  • Ứng dụng động cơ bước hoặc động cơ servo thay thế cho động cơ không đồng bộ tại mâm xoay và đầu siết nắp nhằm kiểm soát chính xác góc quay và mô-men siết nắp chai.
  • Tích hợp thêm cảm biến đo trọng lượng (Loadcell) để kiểm soát khối lượng chất lỏng chiết rót với độ chuẩn xác cao hơn phương pháp định lượng theo thời gian.
  • Chế tạo hoàn thiện mô hình cơ khí phần cứng thực tế và nâng cấp hệ thống SCADA để quản trị dữ liệu sản xuất từ xa qua mạng công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo phù hợp cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Trang bị điện Công nghiệp, và Cơ điện tử:

  • Phần tính toán và lựa chọn thiết bị (Chương 3): Đưa ra các bước tính toán thực tế từ việc xác định công suất động cơ, dòng phụ tải, tính chọn Aptomat bảo vệ, lựa chọn biến tần và phối ghép các loại cảm biến công nghiệp (cảm biến từ Autonics PRW, cảm biến quang E18-D80NK, cảm biến điện dung/mực nước PHN-Y26, van khí nén Airtac, xilanh khí nén kép).
  • Phần lập trình và điều khiển (Chương 4): Là tài liệu tham khảo hữu ích cho việc xây dựng bảng địa chỉ vào/ra (I/O mapping), thiết kế lưu đồ thuật toán điều khiển tuần tự trên TIA Portal cho dòng PLC Siemens S7-1200 và kết nối dữ liệu hiển thị giao diện SCADA trên WinCC qua mạng Profinet.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nhóm tác giả lại lựa chọn PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C kết hợp module SM 1223 thay vì các dòng CPU khác?
Dựa trên kết quả khảo sát công nghệ, hệ thống cần 16 đầu vào số (DI) và 12 đầu ra số (DO). Riêng CPU 1212C chỉ tích hợp sẵn 8 DI và 6 DO, không đủ số lượng cổng kết nối cho toàn bộ cảm biến, nút ấn và cơ cấu chấp hành. Việc kết hợp CPU 1212C với module tín hiệu SM 1223 (16DI/16DO) giúp đáp ứng đủ số lượng I/O yêu cầu mà vẫn tiết kiệm chi phí đầu tư đáng kể so với việc sử dụng dòng CPU cao hơn như CPU 1214C hay 1215C.

2. Mâm xoay chia độ dừng chính xác tại 4 vị trí (chiết rót, cấp nắp, đóng nắp, phân loại) bằng cách nào?
Mâm xoay được thiết kế 4 trụ thép định vị bố trí cách đều nhau các góc $90^\circ$. Đồ án sử dụng cảm biến tiệm cận từ Autonics PRW (khoảng cách phát hiện 1.5 - 15mm) gắn cố định. Khi động cơ mâm xoay hoạt động đưa trụ thép đi ngang qua vùng phát hiện của cảm biến từ, cảm biến sẽ phát tín hiệu ngắt về bộ xử lý trung tâm PLC để dừng tức thời động cơ mâm xoay, đảm bảo chai dừng đúng vị trí các cơ cấu công nghệ.

3. Cơ sở tính chọn dòng định mức cho Aptomat bảo vệ động cơ băng tải là gì?
Động cơ băng tải có công suất $P = 2\text{ kW}$, hệ số $\cos\varphi = 0.85$, hoạt động ở lưới điện 3 pha 380V. Dòng điện tính toán định mức của động cơ là $I_{\text{đc}} \approx 3.3\text{ A}$. Theo nguyên tắc chọn thiết bị đóng cắt đối với phụ tải động cơ có dòng khởi động, dòng định mức bảo vệ được chọn trong khoảng $I_{\text{ap}} = (1.2 \div 1.5) I_{\text{tt}}$. Nhóm tác giả lấy hệ số 1.4, tính ra dòng bảo vệ $I_{\text{ct}} = 1.4 \times 3.3 = 4.62\text{ A}$, từ đó chọn Aptomat tiêu chuẩn thương mại có dòng định mức là LS BKN 3P 6A (dòng cắt ngắn mạch 6kA).

4. Khâu phân loại sản phẩm phát hiện và loại bỏ chai hỏng bằng những thiết bị nào?
Tại khối phân loại, hệ thống sử dụng cảm biến quang hồng ngoại E18-D80NK để kiểm tra sự tồn tại của nắp chai và cảm biến phát hiện nước không tiếp xúc PHN-Y26 để kiểm tra mức chất lỏng trong chai. Nếu tín hiệu trả về cho thấy chai bị thiếu nắp hoặc mực nước không đạt yêu cầu, PLC sẽ kích hoạt van điện từ Airtac 4V210-08 điều khiển xilanh khí nén kép TN 10x40 tác động đẩy chai lỗi ra khỏi băng tải vào khay phế phẩm.

5. Cơ chế điều khiển tốc độ và bảo vệ động cơ của biến tần Omron 3G3JX trong đồ án được thiết lập ra sao?
Biến tần Omron 3G3JX nhận nguồn cấp 3 pha 380VAC và xuất điện áp biến đổi tần số tại các chân U, V, W nối vào động cơ băng tải Dasu 1.1 kW. Biến tần giúp điều chỉnh tần số linh hoạt, thay đổi tốc độ động cơ theo công thức $n = 60f/p$, khống chế dòng khởi động không vượt quá 1.5 lần dòng định mức (thay vì 4 đến 6 lần như khởi động trực tiếp hay sao - tam giác), nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi \ge 0.96$ và bảo vệ động cơ trước các sự cố quá dòng, cao áp, thấp áp.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thống đóng nắp chai tự động" của sinh viên Nguyễn Văn Phú và Vũ Đức Mạnh đã hoàn thành việc thiết kế đồng bộ một hệ thống điều khiển chiết rót, đóng nắp và phân loại sản phẩm tự động quy mô nhỏ với năng suất 10 chai/phút. Bằng phương pháp tính toán kỹ thuật chặt chẽ, nhóm tác giả đã lựa chọn cấu hình thiết bị tối ưu gồm PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C, module mở rộng SM 1223, biến tần Omron 3G3JX cùng hệ thống cảm biến công nghiệp và cơ cấu khí nén Airtac. Kết quả nghiên cứu thể hiện qua việc xây dựng thành công thuật toán điều khiển 2 chế độ Auto/Manual trên TIA Portal và giao diện giám sát SCADA trên WinCC, cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng cho việc thiết kế các dây chuyền tự động hóa đóng gói chất lỏng.